Halbleiterlaser - Universität Würzburg

Halbleiterlaser
Martin Kamp
Technische Physik, Universität Würzburg
Mit Lasern kann man tolle Sachen machen…
• Höchstleistungslaser
• Optische Uhren
• Gravitationswelleninterferometrie
Entwicklung von Höchstleistungslaser
Weltweiter Energieverbrauch (2004): 15 Tera-Watt
Funktionsprinzip
• Puls eines ‚Master lasers‘ (100 fs Dauer) hat breites Frequenzspektrum
• Puls wird zeitlich auf 2 ns gestreckt und räumlich aufgeweitet
• Verstärkung des Pulses
• Kompression durch Beugungsgitter und Fokussierung => 1250 Terawatt!
Bilder des Petawattlaser
• Energiedichte im Fokus: 1021 W/cm2
• Sonnenoberfläche: 6*103 W/cm2
• Strahlungsdruck im Fokus: 3*1011 bar
Wir bauen uns ein Schwarzes Loch
Hawking Strahlung eines
schwarzen Loches
Experimentelle Realisierung
Laser beschleunigt
Elektronen mit 1024 g !
Hawking-Unruh Strahlung bei
beschleunigter Bewegung
Optische Uhren
Science 293, 825 (2001)
Durchgezogene Linie: Cs Atomuhr
Geplant: Bau von optischen Uhren mit einer Genauigkeit von 10-18
Herausforderung: Höhendifferenz von 1 cm führt zu Gangabweichung
durch Gravitationsfeld der Erde
Laser für Gravitationswellendetektoren
Luftbild von GEO600
Nähe Hannover
Teil des
Laserssystems
Nachweisempfindlichkeit
Messung von relativen Längenänderungen von unter 10-21
=> Messung des Abstands zum nächsten Stern auf Haaresbreite
Geschichte des Lasers
Einstein postuliert stimulierte Emission (1917)
Spontane Emission
Absorption
Stimulierte Emission
Bestimmung der Einstein Koeffizienten A21, B12 und B21
durch eine quanten (elektrodynamische) Rechnung
oder Vergleich mit Planckschem Strahlungesetz
Herleitung der Einstein Koeffizienten
- Stimulierte Emission ist Umkehrprozess zu Absorption (B12 = B21)
- Spontane Emissionsrate wird bei kleineren Wellenlängen grösser
=> es ist schwierig, einen Röntgenlaser zu bauen
- Spontane Emission ist stimulierte Emission, die durch Vakuumfluktuationen
ausgelöst wird (und ist damit z.B. durch Resonatoren beeinflussbar)
Erste ‚Anwendung‘ von stimulierter Emission
Aufspaltung von 2s1/2 und 2p1/2
Niveau durch quantenelektrodynamische Korrekturen
2s1/2 Niveau ist metastabil (Zerfall über 2-Photonenemission)
=> Stimulierter Übergang von 2s1/2 nach 2p1/2 durch Mikrowellenstrahlung
(ca. 1 GHz), danach strahlender Zerfall nach 1s1/2
Entwicklung des MASERs
Microwave
Amplication by
Stimulated
Emission of
Radiation
Spektrum des Mikrowellensignals
Vorschläge zu optischen Masern
Charlses Townes
Physical Review 112, vol. 6, 1940 (1958)
Überlegungen zu:
- Resonatorgeometrie (Cavity ist viel
grösser als optische Wellenlänge)
- Maserbetrieb bei kurzen (UV) Wellenlängen
(limitiert durch spontane Emission)
- optischem Pumpen
- Untersuchung von Na Dampf als
Modellsystem
Der erste Laser (1960)
Aufbau eines Rubinlasers
T.H. Mainman mit
dem ersten Laser
Dauerstrichbetrieb:
Nelson and Boyle (1962)
Gepulste optische Anregung
durch Blitzlampe
Gaslaser
Erster HeNe Gaslaser
12. Dezember 1960
A. Javan (rechts) bei der
Justage eines HeNe Lasers
Erste Datenübertragung
mit einem Laserstrahl
13. Dezember 1960 !!
Entwicklung des Halbleiterlasers
Erste GaAs Laserdiode, 1962
Homojunction, gepulster Betrieb in flüssigem He oder N2
Erste sichtbare Laserdiode (1962)
Erste Lichtleitung in Glasfasern (1966)
Verluste einer Glasfaser in Abhängigkeit von der Wellenlänge
Bereich kleiner Verluste hat optische Bandbreite von 50 THz
Erster Dauerstrich-Halbleiterlaser (1970)
Erste Dauerstrich Laserdiode, Heterojunction Design, Bell Labs, 1970
Entwicklung der Schellenstromdichte
Heutiger Stand der Lasertechnik
Laser in photonischem Kristall
Modenvolumen von ca. λ3
Atombombengepumpter EinwegRöntgenlaser, entwickelt im
Rahmen des SDI Projekts
Vor-/Nachteile von Halbleiterlasern
Vorteile:
- Sehr kompakte Bauformen (1 mm3)
- Hohe Wirkungsgrade (bis über 50 %)
- Schnelle Modulierbarbeit (Bandbreiten bis 40 GHz)
- Stetige Erweiterung der Wellenlängen in den
Infrarotbereich (Quantenkaskadenlaser, THz Emitter)
Herausforderungen:
- Wellenlängenlücke zwischen blau (GaN) und rot (GaP)
- Strahlqualität bei hohen Ausgangsleistungen
Anwendungsbereiche
Miniaturisierte Lichtquellen im sichtbaren bzw. infraroten Spektralbereich
Leistungen im mW Bereich
- Laserpointer
- Lichtschranken
- Laser zur optischen Datenspeicherung (CD 780nm, DVD 650 nm)
- Laser für Drucker
- Justier-und Nivellierlaser (Baugewerbe)
Hochleistungslaser
- Pumplaser für Glasfaserverstärker (> 100 mW)
- Pumplaser für Festkörperlaser (DPSS, 50mW bis >1kW)
- Leistungslaser für direkte Materialbearbeitung (> 1 kW)
- Laser für medizinische Anwendungen (> 1 W)
Monomode-Laser
- Kommunikationslaser (schnelle Modulierbarkeit, Wellenlängenmultiplex)
- Laser für Interferometer und zur Positionsbestimmung
- Laser für Sensorikanwendungen
Hochleistungslaserdioden
Laserdiodenstacks
=> mehrere kW aus einer Streichholzschachtel
Diodengepumpte Festkörperlaser
IR Diodenlaser pumpt Festkörperlaser
z.B. Nd:YVO4
Frequenzverdopplung im Laserresonator
ermöglicht Emission im grünen/blauen
Spektralbereich
Vorteile
- kompakte Bauform
- Hohe Wirkungsgrade
- Lange Lebensdauer
Pumpquellen für Faserlaser
Si Laser
Nature 433, 292 (2005)
Verstärkung durch stimulierte
Ramanstreuung
=> erfordert Pumplaser
Marktanteile verschiedener Lasertypen
Marktzahlen aus
Laser Focus World
LASER MARKETPLACE 2007
www.laserfocusworld.com
Diodenlaser machen mehr
als die Hälfte des weltweiten Lasermarktes aus!
Weltmarkt für Diodenlaser
Aufschlüsselung nach Wellenlängen
• Laser für DVD Laufwerke: 650 nm
• Laser für CD Laufwerke: 780 nm
• Pumplaser für Glasfaserverstärker: 980 nm
• Laser für optische Datenübertragung: 1.3 bis 1.5 µm
Aufschlüsselung nach Anwendungen
Stückzahlen nach Anwendung
Kleine Stückzahlen sind in der Statistik nicht erfasst
Und wie funktioniert ein
Halbleiterlaser?
Bausteine eines (Halbleiter-)Lasers
Aktives Medium
(Verstärker)
Zusätzlich beim
Halbleiterlaser:
Wellenführung
R1
R2
Rückkopplung
(Spiegel)
Mit bloßem Auge ist nicht viel zu erkennen …
Da ist der
Laser!
… unter einem Mikroskop schon etwas mehr
Ansicht von oben
•
•
•
•
300 * 400 µm Laserchip
120 µm Dicke
Gelötet auf
Keramikmount
p - Kontakt über
Bonddraht
und unter dem Elekronenmikroskop noch mehr!
Chip mit Halbleiterlaser
Elektronenmikoskopische
Aufnahme der Laserfacette
Aktiver Bereich hat
Abmessung von
ca. 2*2*1000 µm
Aufbau eines Buried-Heterostructure (BH) Lasers
Gespaltene Facette dient als
Spiegel (R=30 %)
InGaAs Quantenfilm
GaAs Wellenleiter
Schnitte durch die Laserstruktur
Querschnitt
Diodenstruktur
Injektion von Löchern und
Elektronen aus den Mantelschichten in die aktive Zone
Längsschnitt
Wellenführung
Totalreflektion an
GaAs/AlGaAs Grenzfläche
Planare Wellenleiter
Wellenleiterkern mit Brechungsindex n1 zwischen
Mantelschichten (Cladding) mit Brechungsindex n2
n2
n1 > n2
n1
Beispiel:
n2
nGaAs = 3.52
nAlAs = 2.95
• Wellenführung durch Totalreflektion an der
Grenzfläche zwischen Kern und Cladding
• Zwei Moden: TE (E-Feld parallel zur Schicht)
TM (E-Feld senkrecht zur Schicht)
Berechnung der Moden I
r
ρ
I) ∇E =
ε 0ε r
r
II) ∇B = 0
III)
r
r
∂B
∇× E = −
∂t
IV)
r
r
⎛r
∂E ⎞
⎟
∇ × B = µ r µ 0 ⎜⎜ j + ε r ε 0
⎟
∂
t
⎝
⎠
Good old Maxwell aus
der E-Dynamik Vorlesung
Keine Ladungen und Ströme, Rotation von III und Einsetzen in
IV liefert Wellengleichung:
r
2
2
r n ∂ E
1
∆E − 2 2 = 0 mit 2 = µ 0ε 0 n 2 = µ r ε r
c ∂t
c
r r
r r − iω t r r
r r − iω t
B ( r , t ) = B ( r )e
Harmonische Zeitabhängigkeit: E ( r , t ) = E (r )e
r ⎛ n 2ω 2 ⎞ r
r
r
Helmholtz2 2
∆E + ⎜⎜ 2 ⎟⎟ E = 0
∆E + n k 0 E = 0 gleichung
⎝ c ⎠
Berechnung der Moden II
r
r
2 2
Lösungen der Helmholtzgleichung ∆E + n k 0 E = 0
r r
r i ( nkr rr −ωt )
Im homogenen Medium: E ( r , t ) = Eo e 0
(ebene Wellen)
TE Mode im Wellenleiter:
Modifizierte Helmholtzgleichung
z
x
r r r
E (r ) = ex E0 e iβy E ( z )
y
∂ 2 Ex
2
2
2
+
(
k
n
(
z
)
−
β
)Ex = 0
2
0
∂z
Vergleich mit Schrödingergleichung
Schrödingergleichung
Helmholtzgleichung
h 2 ∂ 2Ψ
+ VΨ = ΕΨ
−
2
2m ∂x
Mit:
2m
β ↔
V
h
2
∂ 2 Ex
2 2
2
+
(
k
n
−
β
)Ex = 0
2
0
∂z
2m
k0 n ↔
E
h
2
2
Analogie zum 1D-Potentialtopf:
• symmetrische / antisymmetrische Lösungen
• mindestens eine geführte (lokalisierte) Mode
• resonante Zustände überhalb der Barriere (leaky modes)
Dispersion des planaren Wellenleiters
Dispersion im homogenen Medium
hck
E=
n
Vertikalstruktur eines Halbleiterlasers
InGaAs - Quantentopf als aktive Schicht
GaAs - Wellenleiter
AlGaAs - Claddingschicht
SCH Struktur
Separate Confinement
Heterostructure
• Quantenfilm könnte Mode führen, aber geringer Überlapp mit Mode
• Trennung von optischem und elektronischem Einschluss
(separate confinement)
Gewinnführung
Keine laterale Strukturierung zur Wellenführung,
nur Definition durch Strominjektion
50-200 µm
• Test von Epi-Schichten und für Hochleistungslasern
• Extrem elliptisches Modenprofil
• Instabilitäten durch Lochbrennen, thermische Effekte, …
Rippenwellenleiter
Stegbreite ca. 2-5 µm
• Laterale Wellenführung
durch geätzten Steg
• Kontrolle über
Ladungsträgerinjektion
Intensitätsverteilung im
Rippenwellenleiter
Kennlinie und Spektrum
Leistungskennlinie
10
Spektrum: Fabry Perot Moden
1 .0
InGaAs/AlGaAs Laser
Schwelle: 10 mA
Effizienz: 0.4 W/A
Modenabstand
0 .8
Intensität (bel. Einheiten)
Ausgangsleistung pro Facette (mW)
8
S p e k tru m F a b ry P e ro t L a s e r
800 µm Länge
6
4
2
∆λ =
0 .6
λ2
2n g L
0 .4
0 .2
0
0 .0
0
10
20
Strom (mA)
30
40
965
970
975
W e lle n lä n g e ( n m )
980
985
Abstrahlcharakteristik
Parallel
16
14
12
12
Intensity (arb. units)
14
Intensity (arb. units)
Nahfeld
16
10
Fernfeld
8
6
10
8
6
4
4
2
2
0
-20
0
-50
-10
0
10
Angle (degree)
20
Perpendicular
-25
0
25
Angle (degree)
Elliptisches Modenprofil führt zu
elliptischem Fernfeld
(Korrektur durch Zylinderlinse)
50
Vertikalemitter
Welche Materialien werden
verwendet?
Periodensystem mit relevanten Elementen
III-V Verbindungshalbleiter
Dotierstoffe
III/V Verbindungshalbleiter
• Gruppe III Elemente: Ga, In, und Al
• Gruppe V Elemente: N, As, P und Sb
• Binäre Verbindungen: GaAs, InP, GaSb, ....
• Ternäre Verbindungen: InxGa1-xAs, AlxGa1-xAs, ...
• Quaternäre Verbindungen: InxGa1-xAsyP1-y, (2*III, 2*V)
InxAlyGa1-x-yAs (3*III, 1*V)
• Quaternäre Verbindungen erlauben Einstellen von
Gitterkonstante und Bandlücke (2 Freiheitsgrade)
Welches Material für welche Wellenlänge?
GaInN auf Al2O3: < 0.45 µm
AlGaInP/GaInP auf GaAs: 0.63-0.8 µm
AlGaAs/GaAs auf GaAs: 0.75-0.85 µm
GaIn(N)As/AlGaAs auf GaAs: 0.85-1.5 µm
AlGaAsP/GaInAsP auf InP: 1.3-2.0 µm
GaInSb/AlGaSb auf GaSb: 1.6-2.9 µm
Materialeigenschaften von III/V Halbleitern
Bandlücke und Gitterkonstante ausgewähler Halbleiter
Sichtbares
Licht
0.8 µm
Si
1.3 µm
1.5 µm
Hochleistungslaser
Kenndaten von Hochleistungslasern
Breitstreifenlaser mit 2 mm
Länge und 200 µm Breite
- Schwelle: 600 mA
- Steigung der Kennlinie: 0.97 W/A
- Ausgangsleistung: > 4.5 W bei 6 A
- Konversionseffizienz Popt / Pel :
48 % bei 2.5 W Lichtleistung
Hochleistungsbarren
Unmontierte Laserbarren
(1 cm Länge)
Montierter
Laserbarren
© Osram
Kennlinie eines Laserbarrens
Hochleistungsstacks
Stack aus 3 Barren
Stack aus 10 Barren
Kennlinien eines Stacks
Einmodige Halbleiterlser
Mehrmodiger Fabry-Perot Laser
1 .0
S p e k tru m F a b ry P e ro t L a s e r
800 µm Länge
FP-Laser emittiert auf
Vielzahl von Linien
Intensität (bel. Einheiten)
0 .8
Für viele Anwendungen:
=> Laseremission bei
genau definierter
Wellenlänge
0 .6
0 .4
=> FP Laser nicht
geeignet
0 .2
0 .0
965
970
975
W e lle n lä n g e ( n m )
980
985
Einsatzgebiete monomodiger Halbleiterlaser
Glasfaserkommunikation
1Tb/s (100 x 10 Gb/s)
Super-Dense WDM
NTT, Japan
Sensorik
Nachweis von O2 bei 761 nm
Abstimmbar durch Variation von
Strom oder Temperatur
Optoelectronics Ireland, Dublin
Möglichkeiten der Modenselektion
Laser mit verteilter Rückkopplung: Distributed Feedback (DFB)
Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor: Distributed Bragg Reflector (DBR)
• Periodische
Indexmodulation
(indexgekoppelter Laser)
• Periodische Verstärkungsmodulation
(verstärkungsgekoppelter Laser)
• Passives Braggitter
• Bessere Eigenschaften als bei
reiner Indexkopplung
• ´Standard´ DFB Laser (1.55 µm)
• Herstellung schwieriger
Braggbedingung: λDFB = 2 * neff * d
Reflektivität eines Braggitters
Amplitude und Phase des reflektierten Lichts
Pi
1.0
0.8
0.6
Phase
Reflektivität
Phase = 0
bei λ = λBragg
n1 = 3.3
d1 = 76.5 nm
n2 = 3.305
d2 = 74.9 nm
l = 300 µm
0.4
0
0.2
0.0
0.998
0.999
1.000
Wellenlänge (µm)
1.001
1.002
-Pi
0.998
0.999
1.000
Wellenlänge (um)
1.001
1.002
Aufbau eines DBR Lasers
Modenselektion durch scharfes Reflektionsmaximum
Aufbau eines DFB Lasers
Gitter erstreckt sich über gesamte Länge des Lasers
Einfluss der Facetten
Emissionsspektrum
0
• Reale DFB Laser:
- AR/HR Facettenbeschichtung
50
100
150
100
• Rechnung mit Variation einer
Facettenphase von 0 bis 2 * Pi
• Auswahl einzelner Laser nach Test
• Ungeeignet für Integration mehrerer
Laser -> Ausbeute
50
Facettenphase
• Zufällige Lage der Facetten zum
Gitter selektiert eine Mode
0
5
2.5
0
-2.5
Wellenlänge
Ein Beispiel aus der Praxis
Alcatel Telecommunication Review
3/98
Photonics: Fiat lux
„Fabrication of Lasers for DWDM
Applications“
DFB Laser mit lateraler Kopplung
Mode koppelt an Metallgitter
links und rechts vom Lasersteg
FEM Aufnahme von Steg und Gitter
• Unabhängig vom Materialsystem (kein Überwachsen erforderlich)
• Einfacher Prozess, basierend auf Rippenwellenleiterlasern
• Herstellung beginnt mit kompletten Laserstrukturen
– Test der Schichtqualität vor der Prozessierung möglich
• Präzise Kontrolle der Emissionwellenlänge
Eigenschaften der DFB - Laser
0
35
2.5 * 1000 µm laser
CL/CL
30
I = 60 mA
λDFB = 979.2 nm
-10
SMSR = 52 dB
dP/dI = 0.32 W/A
25
-20
Intensity (dB)
Output power per facet (mW)
I0 = 14 mA
20
15
-30
-40
10
-50
5
-60
0
0
20
40
60
80
100
120
Current (mA)
• Schwelle von 14 mA
• Ausgangsleistung über 30 mW
970
975
980
985
990
995
Wavelength (nm)
• Spektrum bei 25 mW Leistung
• Seitenmodenunterdrückung
mehr als 50 dB
Kontrolle der Emissionwellenlänge
λ1
Relative Intensity (dB)
0
λ2
λ3
λ4
∆d = 0.24 nm
∆λ = 1.2 nm
-10
-20
-30
-40
974
976
978
980
982
Wavelength (nm)
• Spektren von vier InGaAs/InGaP DFB - Lasern
• Variation der Gitterperiode in 0.24 nm Schritten
Temperaturverhalten
981
0
1 mm cavity
25 mW output power
980
Wavelength (nm)
Relative Intensity (dB)
-10
-20
50 dB
-30
-40
o
50 C
979
978
o
20 C
977
-50
-60
976
970
975
980
985
Wavelength (nm)
990
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Current (mA)
• Monomodiger Betrieb bei 50 dB Seitenmodenunterdrückung
• Kontinuierliche Verschiebung der Mode mit Temperatur und
Strom
Abstimmbare Laser
Abstimmen eines DFB Lasers:
Änderung des Brechungsindex über Temperatur,
Ladungsträgerdichte oder E-Feld (QCSE), typisch über 5 nm
Weit abstimmbare Laser:
‚Hebelwirkung‘, die kleine Änderung des Brechungsindex in
grosse Änderung der Emission übersetzt
Abstimmverhalten:
Kontinuierlich
Quasikontinuierlich
Diskret
Abstimmen über Vernier-Effekt
Modenspektrum eines abstimmbaren Lasers
λ 1 – Modenabstand Resonator 1
λ 2 – Modenabstand Resonator 2
Moden des langen Resonators
schieben zu grösseren
Wellenlängen.
⇒ Emission springt um λ1 zu
einer grösseren Wellenlänge
Ausganskonfiguration.
Lasermode in der Mitte
Moden des kurzen Resonators
schieben zu grösseren
Wellenlängen
⇒ Emission springt um λ2 zu
einer kleineren Wellenlänge
Alternative: Modendefinition über Gitter
Binary Superimposed
Gratings
Superposition von
N Gittern, dann
Diskretisierung
Beispiel: abstimmbarer Quantenpunkt DFB
diskrete Abstimmbarkeit
•
•
•
7 Moden im Abstand von je 5 nm
→ 30 nm (8,88 THz)
Abstimmbereich
Stromvariation zw. 15 und 200 mA
T = 20 °C
quasikontinuierliche Abstimmbarkeit
•
•
•
25 Kanäle mit 0,5 nm Abstand
→ 12 nm (3,85 THz) Abstimmbereich
Temperaturvariation 10-22 °C
SMSR > 30 dB
Ein etwas komplizierteres Bauteil
Agility
Abstimmbarer Laser mit integriertem
Verstärker (SOA) und Modulator
Abstimmbarer Laser hat vier Kontakte
=> unabhägige Variation von
Wellenlänge und Ausgangsleistung
Realisierung als Laserarray
Fujitsu
• 8 DFB Laser mit verschiedener Wellenlänge
• Gemeinsamer Ausgangswellenleiter
Abstimmverhalten
Kombinierte Spektren
Abstimmen über Temperatur
External cavity laser (Littman-Metcalf Geometrie)
Vertikalemitter
VCSEL – Vertical cavity surface emitting laser
Vergleich Kanten- und Vertikalemitter
Kantenemitter
Vertikalemitter
- Gespaltene Facetten
- Emission senkrecht
zur Oberfläche
- Asymmetrisches Fernfeld
- Test auf Waferebene
- Definierte Polarisation
- Rundes Fernfeld
- Hohe Ströme (mehrere A)
- Kleine Ströme (mA)
- Hohe Leistungen (mehrere W)
- Kleine Leistungen (mW)
- Lineare Arrays
- 2D Arrays
- Einfache Schichtstruktur
- Komplexe Schichtstruktur
Modenselektion
Kantenemitter
Modenabstand viel grösser als
Verstärkungsbreite
=> Massnahmen zur Modenselektion
(DFB, DBR,..)
Vertikalemitter
Longitudinal einmodig
Enge Stromapertur zur
lateralen Modenselektion
Abstimmbare VCSEL
Bandwidth 9
Abstimmen über
verstellbaren Spiegel
VCSEL
Freitragender Arm mit
Reflektor
Das wars
• Wer sich für Halbleiterlaser interessiert
=> Vorlesung im Sommersemester